Thiết kế hệ thống bảo vệ rơle cho trạm biến áp 220 kv

Thiết kế hệ thống bảo vệ rơle cho trạm biến áp 220 kv

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân cũng được nâng cao nhanh chóng Bên cạnh đó, quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa cũng kéo theo nhu cầu về cung cấp năng lượng, đặc biệt là điện năng Nhu cầu sử dụng điện trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, dịch

vụ và sinh hoạt tăng trưởng không ngừng Điều đó đòi hỏi một hệ thống cung cấp điện an toàn và đáng tin cậy

Trạm biến áp là một mắt xích rất quan trọng trong hệ thống điện, là đầu mối liên kết các đường dây, các hệ thống điện Các thiết bị trong trạm biến áp có giá thành lớn, thường ít gặp sự cố hơn các phần tử khác của hệ thống điện, tuy nhiên nếu xảy ra sự cố thì có thể gây ra thiệt hại nặng nề nếu không được xử lý kịp thời Vì lẽ đó, việc thiết kế một hệ thống bảo vệ cho trạm biến áp hoạt động chính xác, tin cậy trước các sự cố là một công đoạn hết sức cần thiết

Đề tài tốt nghiệp em được giao có tên: “ Thiết kế hệ thống bảo vệ rơ le cho trạm biến áp 220 kV” Trong thời gian làm đồ án, em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện và đặc biệt là TS Nguyễn Xuân Tùng Do những hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn nên đồ án

có thể còn những sai sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo trong bộ môn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 13 tháng 06 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Anh Tuấn

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 5

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VAI TRÒ CỦA TRẠM BIẾN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP ĐƯỢC THIẾT KẾ 5

1.1 Vai trò của trạm biến áp trong hệ thống điện 5

1.2 Tổng quan chung về trạm biến áp cần thiết kế 5

1.2.1 Sơ đồ nối điện chính của trạm biến áp 5

1.2.2 Các thông số chính của trạm 6

CHƯƠNG 2 8

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH PHỤC VỤ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG BẢO VỆ RƠ-LE 8

2.1 Giới thiệu chung 8

2.1.1 Lý do cần thiết 8

2.1.2 Các giả thiết tính ngắn mạch 8

2.2 Các chế độ tính ngắn mạch và các điểm ngắn mạch cần tính toán 8

2.2.1 Các chế độ tính ngắn mạch 8

2.2.2 Các điểm ngắn mạch cần tính toán 9

2.3 Quy đổi các thông số phần tử 10

2.3.1 Hệ thống 11

2.3.2 Đường dây 110 kV 11

2.3.3 Máy biến áp tự ngẫu 12

2.4 Tính toán dòng điện ngắn mạch 13

2.4.1 Khi trạm vận hành 1 MBA trong chế độ max 13

2.4.2 Khi trạm vận hành 2 MBA trong chế độ max 26

2.4.3 Khi trạm vận hành 1 MBA trong chế độ min 42

2.4.4 Khi trạm vận hành 2 MBA trong chế độ min 42

CHƯƠNG 3 51

LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ 51

3.1 Các dạng hư hỏng đối với máy biến áp 51

3.2 Sơ đồ phương thức bảo vệ máy biến áp 52

CHƯƠNG 4 56

GIỚI THIỆU TÍNH NĂNG VÀ THÔNG SỐ CÁC RƠLE SỬ DỤNG 56

4.1 Rơ le bảo vệ so lệch P633 56

4.1.1 Giới thiệu tổng quan về rơle P633 56

4.1.2 Một số thông số kỹ thuật của rơle P633 57

4.2 Rơ le hợp bộ quá dòng số 7SJ64 63

4.2.1 Giới thiệu tổng quan về rơle 7SJ64 63

4.2.2 Các chức năng của 7SJ64 63

4.3 Rơ le 7RW60 65

4.3.1 Giới thiệu chung 65

4.3.2 Một số thông số kỹ thuật chính 66

CHƯƠNG 5 67

TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ CHỈNH ĐỊNH VÀ CÀI ĐẶT CHO RƠLE 67

5.1 Các chức năng sử dụng và thông số cài đặt cho máy biến áp của rơ le P633 67

5.1.1 Chọn máy biến dòng điện và máy biến điện áp 67

5.1.2 Các thông số kỹ thuật của máy biến áp tự ngẫu trong trạm 69

5.2 Tính toán chỉnh định các chức năng bảo vệ trong rơ le P633 69

5.2.1 Chức năng bảo vệ so lệch có hãm 69

5.2.2 Bảo vệ chống chạm đất hạn chế (REF) 71

5.2.3 Chức năng bảo vệ quá tải nhiệt 71

5.3 Những chức năng bảo vệ dùng rơ le 7SJ64 72

5.3.1 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh có hướng 72

5.3.2 Bảo vệ quá dòng cắt nhanh thứ tự không có hướng 73

5.3.3 Bảo vệ quá dòng có hướng thời gian trễ 74

5.3.4 Bảo vệ quá dòng TTK có hướng có thời gian trễ 75

5.3.5 Bảo vệ chống máy cắt từ chối tác động 50BF 75

5.4 Bảo vệ quá điện áp thứ tự không phía 35 kV (59N, U0>) 80

CHƯƠNG 6 81

KIỂM TRA SỰ LÀM VIỆC CỦA CÁC BẢO VỆ 81

6.1 Bảo vệ so lệch có hãm (87T) 81

6.1.1 Kiểm tra sự làm việc an toàn khi có ngắn mạch ngoài 81

6.1.2 Kiểm tra độ nhạy của rơ le khi có ngắn mạch trong vùng bảo vệ 84

6.2 Bảo vệ quá dòng có hướng có thời gian trễ 86

6.3 Bảo vệ quá dòng TTK có hướng có thời gian trễ 88

CHUYÊN ĐỀ 90

SỬ DỤNG MÁY TÍNH GIAO TIẾP, CHỈNH ĐỊNH VÀ PHÂN TÍCH 90

BẢN GHI SỰ CỐ CỦA RƠLE 90

1 Giới thiệu chung 90

2 Xây dựng dữ liệu chỉnh định các chức năng bảo vệ 91

2.1 Giới thiệu phần mềm MiCom S1 Studio 91

2.2 Quy trình tạo bộ dữ liệu chỉnh định 93

2.3 Kết quả chỉnh định 94

3 Giao tiếp với rơ le truy xuất dữ liệu 94

3.1 Giới thiệu bộ mô phỏng hệ thống điện NE9171 94

3.2 Quy trình thực hiện giao tiếp giữa bộ mô phỏng và rơ le 94

4 Bản ghi sự cố và áp dụng thực tế phân tích bản ghi sự cố 98

4.1 Giới thiệu chung về bản ghi sự cố 99

4.2 Áp dụng thực tế phân tích bản ghi sự cố Nha Trang – Krông Buk 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

PHỤ LỤC 106

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VAI TRÒ CỦA TRẠM BIẾN ÁP TRONG HỆ

THỐNG ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP ĐƯỢC THIẾT KẾ 1.1 Vai trò của trạm biến áp trong hệ thống điện

Trong hệ thống điện, trạm biến áp được sử dụng rộng rãi để phục vụ cho việc truyền tải điện năng từ các lưới điện ở cấp điện áp khác nhau trong quá trính truyền tải và phân phối năng lượng điên Thường điện năng nhà máy khi đến các

hộ tiêu thụ điện thì phải qua 3 đến 4 lần biến áp, vì vậy công suất tổng của các trạm biến áp cũng lớn hơn tổng công suất của các máy phát từ 3 đến 4 lần

Trạm biến áp cần thiết kế bảo vệ là trạm biến áp cấp điện áp 220 kV đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết hệ thống điện, truyền tải một lượng công suất rất lớn, là một nút quan trọng trong hệ thống Vì vậy, mọi sự cố xảy ra ở trạm biến áp 220 kV có thể gây hậu quả nghiêm trọng đến các thiết bị ở trong trạm, gây thiệt hại kinh tế lớn do ngừng cung cấp điện và thậm chí nếu không được thiết kế bảo vệ chính xác có thể gây mất ổn định hệ thống và rã lưới

1.2 Tổng quan chung về trạm biến áp cần thiết kế

Đối tượng cần thiết kế ở đây là trạm biến áp 220 kV gồm 2 máy biến áp tự ngẫu làm việc song song Trạm được liên kết với hệ thống điện ở phía 220 kV và

110 kV

1.2.1 Sơ đồ nối điện chính của trạm biến áp

1.2.2 Các thông số chính của trạm

 Hệ thống:

Thông số về hệ thống (giả thiết) dựa trên Scb = 100 MVA; Ucb = Utb

Tại thanh cái hệ thống phía 220kV:

Chế độ max: X1 = 0.052 X0 = 0.023 Chế độ min: X1 = 0.061 X0 = 0.03

Tại thanh cái hệ thống phía 110kV :

Chế độ max: X1 = 0.15 X0 = 0.07 Chế độ min: X1 = 0.19 X0 = 0.13

 Máy biến áp:

 Máy biến áp tự ngẫu 125/125/63 MVA

 Tỷ số biến áp: 230 8 1, 25%/121/36,5 kV 

 Sơ đồ đấu dây: Y0 auto / -11

 Điện áp ngắn mạch (đã qui đổi về theo công suất định mức của máy biến áp):

Đường dây 110 kV

 Loại dây AC 240, chiều dài 55km

 Thông số x0=2,9x1

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH PHỤC VỤ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG BẢO

VỆ RƠ-LE 2.1 Giới thiệu chung

2.1.1 Lý do cần thiết

Ngắn mạch trong hệ thống điện là hiện tượng các pha chập nhau, pha chập đất (hay chập dây trung tính), lúc xảy ra ngắn mạch tổng trở của hệ thống giảm đi, dòng điện tăng lên đáng kể gọi là dòng điện ngắn mạch Trong thiết kế bảo vệ rơle, việc tính toán ngắn mạch nhằm xác định các trị số dòng điện ngắn mạch lớn nhất (INmax) và dòng điện ngắn mạch bé nhất (INmin) đi qua đối tượng bảo vệ để lựa chọn thiết bị bảo vệ rơ le, cài đặt, chỉnh định các thông số và kiểm

tra độ nhạy của rơ le

2.1.2 Các giả thiết tính ngắn mạch

 Tần số của hệ thống không thay đổi

 Bỏ qua bão hòa từ

 Bỏ qua các lượng nhỏ trong thông số của một số phần tử

 Hệ thống sức điện động ba pha của nguồn là đối xứng

ta sẽ tính các dạng ngắn mạch N(3), N(1), N(1,1) trong chế độ max Từ nhận xét này

ta có thể thấy để tìm INmin ta sẽ tính các dạng ngắn mạch N(2), N(1), N(1,1) trong chế

độ min

- Đối với cấu hình của trạm:

 Khi trạm vận hành một máy thì dòng điện tổng tại điểm ngắn mạch tổng tại điểm ngắn mạch sẽ nhỏ hơn so với trường hợp 2 máy vận hành song song Tuy nhiên toàn bộ dòng điện này sẽ đi qua bảo vệ

 Khi trạm vận hành 2 máy biến áp song song thì dòng điện ngắn mạch tổng tại điểm ngắn mạch sẽ lớn hơn trường hợp vận hành 1 máy biến áp độc lập nhưng dòng qua bảo vệ chỉ bằng một nửa dòng điện ngắn mạch tổng

Từ nhận xét trên ta thấy để tìm giá trị dòng dòng điện ngắn mạch lớn nhất (INmax) và dòng điện ngắn mạch bé nhất (INmin) ta phải tính cho cả 2 trường hợp: vận hành độc lập 1 MBA và vận hành song song 2 MBA

 Đối với các dạng ngắn mạch không đối xứng, dòng điện ở các pha không giống nhau, dòng điện mà ta tính ra là của pha đặc biệt (pha không bị sự

cố đối với ngắn mạch 2 pha và 2 pha chạm đất, còn đối với sự cố ngắn mạch 1 pha thì đó là pha sự cố), vì vậy khi tìm dòng chạy qua các BI ta phải chú ý đến vấn đề này

2.2.2 Các điểm ngắn mạch cần tính toán

Đối với trạm biến áp, vị trí của các điểm ngắn mạch cần tính toán phụ thuộc vào vị trí đặt BI, nếu sự cố xảy ra trước BI thì sẽ không có dòng điện qua

BI nên bảo vệ sẽ không cảm nhận được sự cố và ngược lại Ngoài ra đối với bảo

vệ so lệch có khái niệm vùng bảo vệ được giới hạn bằng các BI, cho nên hai điểm ngắn mạch có thể có cùng trị số dòng điện ngắn mạch như N1 và N1’ nhưng bảo

vệ so lệch chỉ tác động khi xảy ra ngắn mạch ở N1’

Đối với máy biến áp tự ngẫu ta cần phải tính toán được cho trên hình vẽ dưới đây Tổng cộng có 6 điểm ngắn mạch cần tính toán (gồm 3 điểm ngắn mạch trong vùng {N1’, N2’, N3’} và 3 điểm ngắn mạch ngoài vùng {N1, N2, N3})

Sơ đồ các điểm cần tính toán ngắn mạch

2.3 Quy đổi các thông số phần tử

Tra bảng ta được thông số của đường dây như sau:

ro = 0,12 (Ω/km), xo = 0,401 (Ω/km), bo = 2,84 (10-6/Ωkm)

2.3.3 Máy biến áp tự ngẫu

Điện áp ngắn mạch UN% của máy biến áp tự ngẫu AT1, AT2 nhƣ sau:

N

C

cb C

dmBA T

H

cb H

X1HD0,292

XC0,116

X2HD0,292

X0,056

N1 N1' XT

0

Sơ đồ thay thế thứ tự không

Tính toán các điện kháng tương đương:

0HD H 0HT1 C

XC0,116

X0HD0,39

X00,026

N1 N1' XT

0

XH0,211

Phân bố thành phần dòng điện thứ tự không:

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía cao MBA:

I0C = I0∑ 0HT1

0HD H 0HT1 C

X XX

I2Na HT1 = I2Na – I2Na HT2 = -4,293 – (-0,59) = -3,703

- Phân bố dòng điện thứ tự không

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía cao MBA:

I0aC = I0Na 0HT1

0HD H 0HT1 C

Dòng TTK chạy qua dây trung tính của MBA (trong hệ đơn vị có tên):

I0tt = 3.(I0aT.Icb(110) - I0aC.Icb(220)) = 3.((-0,334).0,628 – (-0,952).0,314) = 0,267(kA)

 Xác định trị dòng điện ngắn mạch chạy qua BI

o Ngắn mạch tại N 1 :

Dòng ngắn mạch mà ta tính là của pha đặc biệt tức pha không bị sự cố, để tính dòng ngắn mạch qua BI ta phải sử dụng toán tử quay, giả sử viết với dòng điện pha B, và chỉ quan tâm đến trị số:

INb = | a2 I1Na + a I2Na + I0Na |

2 BI1( 0)

X1HD0,292

XC0,116

X2HD0,292

X0,112

Sơ đồ thay thế thứ tự không

Tính toán các điện kháng tương đương:

0HT1 C H 0HD

XC0,116

X0HD0,39

X 0,070

XT

0

XH0,211

N2

N2'

Phân bố thành phần dòng điện thứ tự không:

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía trung MBA:

I0T = I0∑ 0HD

0HT1 C H 0HD

I1Na =

2 0 1

X XX

I2Na HT2 = I2Na – I2Na HT2 = -2,495 – (-1,54) = -0,955

- Phân bố dòng điện thứ tự không

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía trung MBA:

I0T = I0Na 0HD

0HT1 C H 0HD

2 BI2( 0)

X1HD0,292 EHT2

XT

0

X H 0,211

2.4.2 Khi trạm vận hành 2 MBA trong chế độ max

Sơ đồ thay thế thứ tự nghịch

Sơ đồ thay thế thứ tự không

Tính toán các điện kháng tương đương:

XC0,116

X 0,055

XT

0

BI2 X

2HD 0,292

BI1

N1'

N1

XC0,116

XT

0

X0HT10,029

XC0,116

X 0,024

X T

0

X H 0,211

X H 0,211

X0 =

H 0HD C

0HT1

H 0HD

H 0HD C

0HT1

H 0HD

C

XX2X

Các dòng điện thành phần đối xứng tại điểm ngắn mạch của pha sự cố là:

Phân bố thành phần dòng điện thứ tự không:

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía cao MBA:

I0C = I0∑ 0HT1

H 0HD C

0HT1

H 0HD

X

X

2X

X2

X2X

2

X



0, 2112

0, 2110,39

If(BI1) = I1BI1 + I2BI1 + I0BI1 = 0,586 +0,586 + 0,638 = 1,81

Loại bỏ thành phần thứ tự không ta đƣợc:

IBI1(-0) = If(BI1) - I0(BI1) = 1,774 – 0,638 = 1,172

- BI2:

1HT2 1BI2 2BI2

I1Na =

2 0 1

X XX

I2Na HT1 = I2Na – I2Na HT2 = -4,263 – (-0,668) = -3,595

- Phân bố dòng điện thứ tự không

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía cao MBA:

I0aC = I0Na 0HT1

H 0HD C

0HT1

H 0HD

X

X

2X

X2

X2X

2

X



0, 2112

0, 2110,39

2



Dòng TTK chạy qua dây trung tính của MBA (trong hệ đơn vị có tên):

I0tt = 3.(I0aT.Icb(110) - I0aC.Icb(220)) = 3.((-0,353).0,628 – (-1,657).0,314) =

Loại bỏ thành phần thứ tự không ta đƣợc:

2 BI1( 0)

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận

BI1

N2' N2

XC0,116

XT

0

X 2HT1 0,065

XC0,116

X 0,087

X T

0

X0HT10,029

X C 0,116

X 0,042

X T

0

XH0,211

XH0,211

Tính toán các điện kháng tương đương:

0HT1

H 0HD H 0HD C

0HT1

H 0HD

0, 211

2

0, 39X

22

HT1 BI2 HT2

Phân bố thành phần dòng điện thứ tự không:

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía trung MBA:

I0T = I0∑ 0HD

0HT1 0HD

C H 0HT1

X2X

X X

0, 2112

- BI1:

1HT1 1BI1 2BI1

X XX

I2Na HT2 = I2Na – I2Na HT1 = -2,862 – (-2,014) = -0,848

- Phân bố dòng điện thứ tự không

Dòng điện thứ tự không chạy qua phía trung MBA:

I0T = I0Na 0HD

0HT1 0HD

C H 0HT1

Dòng TTK chạy qua phía cao của MBA (cũng là dòng chạy qua điện kháng hệ thống 1):

I0N HT1= I0C = I0T

H

C H 0H1

X2X

X X

0, 2112

If(BI2) = | a2 I1aBI2 + a.I2aBI2 + I0aBI2|

Phía 35 kV cuộn đấu tam giác nên không xét sự cố chạm đất, chỉ xét ngắn mạch ba pha

Sơ đồ thay thế thứ tự thuận

 Ngắn mạch 3 pha

C

H 1

BI1

XC0,116

XT

0

XH0,211

XH0,211

N3'

N3

BI3

2.4.3 Khi trạm vận hành 1 MBA trong chế độ min

Sau khi tính toán dòng ngắn mạch trong chế độ max, trong giới hạn đồ án

em sẽ không trình bày cụ thể các bước tính toán vì điều này tương tự như với chế

độ max và kết sẽ được tổng hợp trong bảng kết quả ở cuối mỗi phần

Kết quả tính toán chế độ min vận hành 1 máy biến áp và 1 đường dây được tổng hợp trong bảng 2.3, kết quả tính toán chế độ min vận hành 1 máy biến

áp và 2 đường dây vận hành song song được tổng hợp trong bảng 2.5

2.4.4 Khi trạm vận hành 2 MBA trong chế độ min

Tính toán hoàn toàn tương tự như, ta thu được kết quả tính toán chế độ min vận hành 2 máy biến áp và 1 đường dây trong bảng 2.4, kết quả tính toán chế

độ min vận hành 2 máy biến áp và 2 đường dây trong bảng 2.6

Bảng 2.1 Bảng kết quả tính toán ngắn mạch trong chế độ cực đại vận hành 1 MBA

Điểm

ngắn

mạch

Dạng ngắn mạch

Dòng điện chạy qua các BI

Bảng 2.2 Bảng kết quả tính toán ngắn mạch trong chế độ cực đại vận hành 2 MBA

Điểm

ngắn

mạch

Dạng ngắn mạch

Dòng điện chạy qua các BI

Bảng 2.3 Bảng kết quả tính toán ngắn mạch trong chế độ cực tiểu vận hành 1 MBA và 1 đường

Dòng điện chạy qua các BI

Bảng 2.4 Bảng kết quả tính toán ngắn mạch trong chế độ cực tiểu vận hành 2 MBA và 1 đường

Dòng điện chạy qua các BI

Bảng 2.5.Bảng kết quả tính toán ngắn mạch trong chế độ cực tiểu vận hành 1 MBA và 2 đường

Dòng điện chạy qua các BI